GR 99 G 4428 DE
Beschreibung
Anordnung zur Überwachung einer aus mehreren in Reihe geschalteten Batterieuntereinheiten bestehenden Batterie 5
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung einer aus mehreren in Reihe geschalteten Batterieuntereinheiten bestehenden Batterie.
Aus der EP 0 790 690 A2 ist eine Anordnung zur Überwachung einer aus mehreren in Reihe geschalteten Blockbatterien bestehenden Batterie bekannt, die Bestandteil einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ist. Eine Meßeinrichtung erfaßt über mehrere Meßkanäle die Spannungen an jeder einzelnen Blockbatterie und verarbeitet diese im Rahmen eines Batterie-Management-Systems, mit dem die Batterie geladen und überwacht wird. Bei einem Batteriekreistest durch das Batterie-Management-System werden automatisch Fehler im Batteriesystem festgestellt und lokalisiert. Durch eine gezielte Teilentladung mit einem konstanten Strom und die Messung aller Blockspannungen können Fehler, wie die Erhöhung des inneren Widerstandes einzelner Blockbatterien, sowie schlechte Polverbinder oder offene Batterieschalter sowohl detektiert als auch lokalisiert werden. Die Werte für die inneren Widerständen der Blockbatterien werden in einem Permanentspeicher protokolliert. Weiterhin beobachtet das Batterie-Management-System die alterungsbedingte Abnahme der entnehmbaren Ladung mit Hilfe des Verlaufs der Blockspannung während der Teilentladung. Aufgrund der Entwicklung dieses Wertes kann dem Bediener die Durchführung einer Konditionierung zum Ausgleich reversibler Alterungserscheinungen empfohlen werden. Auch vorgeschädigte Batterieblöcke werden durch Messung von Innenwiderstand und entnehmbarer Ladung bereits bei der Inbetriebnahme erkannt.
Aus der US-A-5 218 288 ist eine Anordnung zur Überwachung einer aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batterie
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bekannt, die über einen steuerbaren Gleichrichter an einer Stromversorgung und über einen steuerbaren Wechselrichter an einem Verbraucher angeschlossen ist. Eine Meßeinrichtung erfaßt die Spannung an der Batterie sowie den Batteriestrom und ermittelt daraus unter anderem die Restkapazität der Batterie. Dazu wird die Batterie in einen Entladungszustand gebracht und aus dem erfaßten Batteriestrom, der erfaßten Batteriespannung und der bekannten Anzahl der Batteriezellen die Entladungsleistung je Batteriezelle sowie die Zellen-. 10 spannung berechnet, aus denen über einen abgespeicherten Kurvensatz die Restkapazität der Batterie ermittelt wird. Fehler oder Zustände innerhalb der Batterie, wie z.B. die Restkapazitäten der einzelnen Batteriezellen, lassen sich auf diese Weise nicht ermitteln. Wie die Batterie im einzelnen in den für die Restkapazitätsermittlung vorgesehenen Entladezustand gebracht wird, ist der US-A-5 218 288 nicht zu entnehmen.
Aus der EP 0 433 573 A2 ist eine Anordnung zur Überwachung einer Batterie bekannt, die parallel zu einem von einem steuerbaren Ladegleichrichter gespeisten Verbraucher liegt. Eine die Spannung an der Batterie erfassende Meßeinrichtung bewirkt durch eine Absenkung und nachfolgend eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Ladegleichrichters für jeweils eine vorgegebene Zeit unterschiedliche Entlade- und Ladezustände der Batterie, wobei die dabei erfaßten Spannungsverläufe mit abgespeicherten Referenzkennlinien verglichen werden. Darüber hinaus können für unterschiedliche Temperaturbereiche unterschiedliche Kennlinien abgespeichert sein, wobei dann die Meßeinrichtung zusätzlich zur Batteriespannung auch die Temperatur erfaßt.
Aus der EP 0 391 242 A2 ist es bekannt, die Ruhespannung der unbelasteten Batterie zu messen, um daraus auf die Säuredichte zu schließen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine umfassende Batterieüberwachung einschließlich Leerlaufmessungen an der Batterie zu ermöglichen, ohne daß dabei die Stromversorgung des an der Batterie liegenden Verbrauchers beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Anordnung gelöst. Aufgrund des durch die Meßeinrichtung steuerbaren Stellgliedes kann die Batterie von der Stromversorgungseinrichtung und dem Verbraucher getrennt werden, so daß Leerlaufmessungen an ihr möglich sind. Die steuerbare Stromversorgungseinrichtung stellt dabei weiterhin die Stromversorgung des Verbrauchers sicher.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise ist parallel zu dem Stellglied eine Diode geschaltet, deren Durchlaßrichtung mit der Richtung des Entladestroms der Batterie übereinstimmt, so daß bei der Leerlaufmessung an der Batterie im Falle eines Spannungseinbruchs oder -ausfalls bei der Stromversorgungseinrichtung unmittelbar eine Stromversorgung des Verbrauchers aus der Batterie erfolgt. Im normalen Betriebszustand ist die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrichtung geringfügig höher als die Batteriespannung, so daß die Diode sperrt und die Batterie sich im Leerlauf befindet.
Um eine differenzierte Beurteilung des Batteriezustandes zu ermöglichen, ist die Meßeinrichtung vorzugsweise entweder zur Erfassung der Spannungen an den Batteriezellen oder bei einer aus Blockbatterien gebildeten Batterie zur Erfassung der Blockspannungen ausgebildet.
In weiteren wird die erfindungsgemäße Anordnung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Ein Verbraucher 1 wird aus einer Stromversorgungseinrichtung 2 gespeist und liegt dazu an dem Gleichspannungsausgang 3 eines steuerbaren Gleichrichters 4, der wechselspannungsseitig an einem Wechselspannungsnetz 5 angeschlossen ist. Um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung des Verbrauchers zu gewährleisten, ist in einem parallel zu dem Verbraucher liegenden Batteriezweig 6 aus mehreren hintereinander geschalteten Batterieuntereinheiten 7, hier Batteriezellen, bestehende Batterie 8 angeordnet. Die Batterie 8 stützt die Spannung an Verbraucher 1, wobei sie im Falle eines Spannungseinbruchs oder -ausfalls am Ausgang 3 der Stromversorgungseinrichtung 2 über den Verbraucher 1 entladen und nach Wiederherstellung der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrichtung 2 aus dieser wieder aufgeladen wird.
Zur Überwachung der Batterie 8 ist eine mehrkanälige Meßeinrichtung 9 vorgesehen, die über Spannungsmeßeingänge die Spannung an jeder Batteriezellen 7 kontinuierlich erfaßt. Die Meßeinrichtung 9 weist ferner einen Strommeßeingang zur Erfassung des Batteriestromes IB und einen Strommeßeingang 12 zur Erfassung des Stromes IG am Ausgang 3 des steuerbaren Gleichrichters 4 auf. Darüber hinaus verfügt die Meßeinrichtung 9 über Temperaturmeßeingänge 13 zur Erfassung der Elektrolyttemperatur in den Batteriezellen 7.
Die Meßeinrichtung 9 wirkt mit einer Steuereinrichtung 14 zusammen, die zur Einstellung unterschiedlicher Betriebszustände der Batterie 8 sowohl den steuerbaren Gleichrichter 4 als auch ein Stellglied 15, z.B. ein Halbleiterschalter, hier ein Leistungsschütz steuert, das in dem Batteriezweig liegt. Parallel zu dem Stellglied 15 liegt eine Diode 16, deren Durchlaßrichtung mit der Richtung des Entladestroms leder Batterie 8 übereinstimmt.
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Die Meßeinrichtung 9 und die Steuereinrichtung 14 bilden eine Überwachungseinheit 17, die über eine Datenverbindung 18 mit einem übergeordneten Batterie-Management-System 19 kommuniziert. Dabei werden die erfaßten Zellenspannungen in der Meßeinrichtung 9 zwischengespeichert, vorverarbeitet und zur Datenübertragung komprimiert. Die Einstellung unterschiedlicher Betriebszustände der Batterie 8 zur Überwachung oder zum Aufladen der Batterie 8 wird durch das Batterie-Management-System 19 veranlaßt. Innerhalb der Überwachungseinheit 17 kann erforderlichenfalls durch Lichtwellenleiterkopplung eine Potentialtrennung zwischen unterschiedlichen signalverarbeitenden Teilen, z.B. zwischen der Meßeinrichtung 9 und der Steuereinrichtung 14 oder innerhalb dieser erreicht werden. Je nach Meßaufgabe können folgende unterschiedlichen Betriebszustände der Batterie 8 eingestellt werden:
In einem Betriebszustand „Erhaltungsladung" ist das Stellglied 15 geschlossen und es fließt aufgrund der am Ausgang des Gleichrichters 4 eingestellten Ausgangsspannung ein 0 Ladestrom IB+ in die Batterie 8. Von der Meßeinrichtung 9 werden die Spannungen an den Batteriezellen 7 über die Zeit erfaßt und ausgewertet, um evtl. schwache Batteriezellen 7 detektieren zu können, die dann mittels spezieller Starkladung aufgefrischt werden können.
In einem Betriebszustand „Ruhephase" ist das Stellglied 15 geöffnet, wobei die Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 höher ist als die Batteriespannung, so daß die Diode 16 sperrt und die Batterie 8 sich im Leerlauf befindet. Die Meßeinrichtung 9 erfaßt die Ruhespannung an den einzelnen Batteriezellen 7 und ermittelt daraus die Säuredichte.
In einem Betriebszustand „Entladung" ist das Stellglied 15 geschlossen, wobei die Ausgangsspannung des steuerbaren Gleichrichters 4 soweit herabgesetzt ist, daß aus der Batterie 8 ein Entladestrom IB_ zu dem Verbraucher 1 fließt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Spannungen an den einzelnen
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Batteriezellen 7 bzw. aus der Abnahme der Spannungen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ermittelt die Meßeinrichtung 9 die Restkapazität der einzelnen Batteriezellen 7.
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Bei einem Betriebszustand „Stromsprung" ist der steuerbare Schalter 15 geschlossen, wobei der steuerbare Gleichrichter 4 derart gesteuert wird, daß die Batterie 8 mit einem sprungartigen Verlauf des Entladestrom IB- belastet wird. Durch Auswertung der zeitlichen Verläufe der Spannungen an den Batteriezellen 7 ermittelt die Meßeinrichtung 9 Verbindungsfehler zwischen den Batteriezellen 7 und liefert darüber hinaus eine Information über den Innenwiderstand der Batterie 8.
Die vorstehend genannten Messungen können durch die zusätzliche Erfassung des Batteriestromes Ib und der Elektrolyttemperatur ergänzt bzw. gestützt werden.
Vor jeder Umschaltung des Stellgliedes 15 wird der Gleichrichter 4 durch die Steuereinrichtung derart gesteuert, daß der Batteriestrom IB zum Umschaltezeitpunkt möglichst gering ist, so daß das Stellglied lediglich zum Führen höherer Ströme, nicht jedoch zum Schalten höherer Ströme ausgelegt sein muß.